摘要
为了认识初始自由空腔对约束奥克托今（HMX）基PBX‑3炸药慢烤反应烈度的影响，以圣地亚热点火（SITI）实验装置为参考，设计了初始自由空腔体积率分别为1.0%和7.4%的弱约束慢烤实验装置。在相同的温升速率下开展了约束HMX基PBX‑3炸药慢烤实验，通过小尺寸K型热电偶测量炸药中心平面不同位置以及壳体表面的温度变化历程，采用耐高温光子多普勒测速探头测量炸药热爆炸后壳体的运动速度，并在慢烤箱中回收实验装置残骸。结果表明：在相同的壳体约束强度和加温条件下，2种不同初始自由空腔体积率的约束PBX‑3炸药均在中心区域首先发生点火反应；初始自由空腔体积率为1.0%时，热爆炸时刻壳体表面的温度更高，炸药整体温度更高，炸药点火反应后壳体加速更快、速度更高，实验装置残骸碎片更小，反应烈度更高。分析认为：初始自由空腔体积率为1.0%时，热爆炸前炸药受到的应力更大，炸药损伤更严重；炸药中心点火反应后，更大的热应力使得炸药点火反应产生的气体在中心聚集形成更高的压力，炸药燃烧速率更大，燃烧产生的高温气体更容易进入微裂纹，形成更强的对流燃烧，导致压力增长速率更快，炸药反应更剧烈。
图文摘要
A study on the influence of initial free cavity on the reaction violence in slow cook‑off for HMX‑based PBX‑3 was carried out with the initial free cavity volume ratios of 7.4% and 1.0%. The probe of photonic‑doppler‑velocimeter （PDV） that could still work when the temperature reaches 300 ℃ was used to measure the shell velocity after thermal explosion starting at the center of the explosive， and the wreckage of the test setup was recovered. The factors influencing the reaction violence in the slow cook‑off were analyzed， which could provide reference for numerical calculation of thermal response， thermal safety evaluation and design of charge.
武器弹药在运输、贮存、使用等环境下可能遭遇火灾事故，对人员、建筑物、武器平台等造成不同程度损伤，弹药热安全性是安全弹药的重点研究方向之
国内外在炸药热刺激反应烈度相关的热损伤、点火反应演化外以及工程因素影响等方面已开展了大量研究工作。Parker
为此，本研究参考国外SITI实验装
实验装置见
a. initial free cavity volume ratio of 7.4%
b. initial free cavity volume ratio of 1.0%
图1 慢烤实验装置结构示意图
Fig.1 Structural diagram of slow cook‑off test setups
慢烤实验在高温烘箱中进行，其内部空腔尺寸为300 mm×300 mm×400 mm，腔体四周为保温棉，采用热风对流循环方式使腔体内部温度基本均匀，最大温升速率可达10 ℃·mi
实验前将2个药柱分别安装在2个独立的装药腔体内，然后在其中一个炸药表面安装4个K型热电偶，4个热电偶分别距炸药中心0，3.2，6.4，9.6 mm，并在约束壳体外圆柱面的中心附近粘贴1个相同型号及尺寸的K型热电偶，再将2个装药腔体通过螺栓连接在一起装配完成后，将整个实验装置放入高温烘箱中，最后在距实验装置圆柱面约30 mm位置布置1个耐高温PDV探头，用于测量炸药点火反应后壳体的速度。慢烤实验测试布局示意图见
图2 慢烤实验测试布局示意图
Fig.2 Measuring layout of slow cook‑off test
图3 慢烤实验装置实物照片
Fig.3 Photo of slow cook‑off test setup
2发不同初始自由空腔体积率的PBX‑3炸药慢烤实验的温升边界条件相同，实验时30 min将高温烘箱内的空气加热至160 ℃，然后保温45 min，使炸药内部温度基本处于平衡状态，再以0.8 ℃·mi
2种不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，安装在距炸药中心0，3.2，6.4，9.6 mm以及壳体表面的热电偶测得的温度分别记为T1、T2、T3、T4以及Ts，从加热开始直至炸药发生点火反应，各测点温度演变历程见
a. initial cavity volume ratio of 7.4%
b. initial cavity volume ratio of 1.0%
图4 不同初始空腔体积下炸药内部温度曲线
Fig.4 Temperature‑time curves inside of PBX‑3 explosives with different initial cavity volume ratios
初始自由空腔体积率为7.4%时，炸药内部温度在167 ℃时出现显著的温度平台；当壳体温度达到217 ℃后，炸药内部4个测点温度均超过约束壳体表面温度；加温时间9320 s时炸药发生点火反应，此时约束壳体表面的温度为224 ℃，炸药内部测点T1、T2、T3、T4的温度分别为230，229，228 ℃和226 ℃。初始自由空腔体积率为1.0%时，炸药内部未出现显著的HMX相变吸热温度平台；当壳体温度达到222 ℃后，炸药内部各测点温度均超过约束壳体表面温度；加温时间9717 s时炸药发生点火反应，此时约束壳体表面的温度为232 ℃，炸药内部测点T1、T2、T3和T4的温度分别为254，251，243 ℃和235 ℃。
对比2种初始自由空腔体积率下炸药内部及壳体表面温度可以看出，初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤实验过程中炸药内部无明显的HMX相变吸热温度平台，直至炸药发生点火反应，加温时间更长，点火时刻约束壳体表面温度更高、炸药内部整体温度更高。
2发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX‑3炸药点火反应后，耐高温PDV探头测得PBX‑3炸药点火反应后的壳体径向膨胀速度，以及通过速度积分获得的壳体位移见
a. initial cavity volume ratio of 7.4%
b. initial cavity volume ratio of 1.0%
图5 不同初始自由空腔体积率下PBX‑3炸药反应后的壳体速度及位移
Fig.5 Velocity and displacement‑time curves of shell after explosive reaction with different initial cavity volume ratios
由
对比2种初始自由空腔体积率下PBX‑3炸药反应后的壳体速度可以看出，当初始自由空腔体积率为1.0%时，壳体在更短的时间内达到更高的速度，反应烈度更高。
2发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX‑3炸药点火反应后高温烘箱残骸见
a. initial cavity volume ratio of 7.4%
b. initial cavity volume ratio of 1.0%
图6 不同初始自由空腔体积率下高温烘箱残骸
Fig.6 Wreckage of heating chamber with different initial cavity volume ratios
2发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX‑3炸药点火反应后实验装置残骸见
a. initial cavity volume ratio of 7.4%
b. initial cavity volume ratio of 1.0%
图7 不同初始空腔容积比的试验装置残骸
Fig.7 Wreckage of test setups with different initial cavity volume ratios
对比2发实验后的高温烘箱残骸以及实验装置可看出，初始自由空腔体积率1.0%时，PBX‑3炸药慢烤中心点火后形成的破坏力更强。初始自由空腔体积率7.4%时，炸药点火反应后约束壳体结构基本完整；初始自由空腔体积率1.0%时，壳体严重破坏形成较小破片，点火后反应更剧烈。
根据2发不同空腔体积率慢烤实验中炸药内部的温度历程可看出，PBX‑3炸药均在中心区域首先发生点火反应。慢烤实验过程中，初始自由空腔体积率为7.4%时炸药内部在167 ℃出现明显的吸热温度平台，而初始自由空腔体积率为1.0%时未出现明显的吸热温度平台，这是因为7.4%的初始自由空腔体积率为HMX相变提供了体积膨胀空间，HMX在该温度下发生了较为充分的吸热相变反应；初始自由空腔体积率为1.0%时，高温下炸药热膨胀使其受到的热应力较大，延缓了HMX的相变进程，炸药内部因HMX相变吸热体现出来的温度平台就不明显。直至慢烤点火反应时刻，初始自由空腔体积率为7.4%时，慢烤加温时间为9320 s，约束壳体表面温度为224 ℃；初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤加温时间为9717 s，约束壳体表面温度为232 ℃；这是因为初始自由空腔体积率为1.0%时，HMX相变进程较慢，其放热分解反应引起的热量积累也就越慢，使得慢烤加温时间更长。
根据2发不同空腔体积率慢烤实验中炸药点火反应后约束壳体的径向运动速度历程可看出，炸药反应后壳体速度是一个缓慢增长的过程，经历数十微秒甚至数百微秒达到最大值，呈典型的非冲击点火反应增长特征；从实验后壳体残骸可看出，即使炸药在中心首先发生点火反应，仍呈现出非对称反应演化特征，表明炸药非冲击点火反应后的燃烧特征与正常爆轰显著不同。
根据2发不同空腔体积率慢烤实验中PBX‑3炸药点火反应后约束壳体的运动速度、慢烤箱及实验装置残骸分析判断，初始自由空腔体积率为7.4%时PBX‑3炸药发生爆燃反应；初始自由空腔体积率为1.0%时PBX‑3炸药发生爆炸反应，其反应烈度更高。这是因为：初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤点火反应时刻PBX‑3炸药整体温度更高，其热损伤更严重；初始自由空腔体积率为1.0%时，高温环境下炸药承受的热应力更大，炸药因应力引起的损伤更严重，炸药在中心区域首先发生点火反应后，产生的高温气体向损伤炸药的裂纹中传播；初始自由空腔体积率为1.0%时，由于PBX‑3炸药点火时刻受到的应力更大，炸药点火反应初期产生的气体不能及时逸出，导致炸药中心压力急剧增加，进一步增大了炸药的燃烧速率，且燃烧产生的高温气体在更高的压力下更容易进入微裂纹，使得炸药点火后容易形成更强的对流燃烧，最终导致反应烈度更高。
在相同约束强度和温升速率下，针对初始自由空腔体积率为7.4%和1.0%的约束HMX基PBX‑3炸药开展了慢烤实验，获得了炸药内部温度历程、约束壳体膨胀速度历程以及实验装置残骸等点火响应特征数据，从壳体速度、实验装置残骸分析判断，初始自由空腔体积率对约束PBX‑3炸药慢烤反应烈度具有重要影响。
（1）初始自由空腔体积率为1.0%时，点火时刻约束壳体表面温度更高、炸药整体温度更高；炸药点火反应后约束壳体破裂更严重，约束壳体速度更高、加速更快，PBX‑3炸药反应烈度更高。
（2）初始自由空腔体积率为1.0%时，炸药点火反应时整体温度更高，其热损伤更严重；慢烤高温下炸药承受的热应力更大，炸药因应力导致的损伤更严重；炸药中心区域点火反应产生的高温气体在较大的应力作用下聚集形成更高的压力，导致炸药燃烧速率增加、高温气体进入微裂纹形成更强的对流燃烧，炸药点火反应后压力增长速率更快；炸药点火反应时刻的损伤更严重，以及更大应力作用下的中心区域点火反应，可能是慢烤下初始自由空腔体积率为1.0%的约束PBX‑3炸药发生更高反应烈度的原因。
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